低浓度ppb级别甲苯对工作记忆维持的影响

“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组刘俊杰教授与细胞生态海河实验室、中国医学科学院北京协和医院（天津）、天津医科大学等单位合作，在中科院一区Top期刊《Science of the Total Environment》（影响因子IF：9.8）上发表了低浓度ppb级别甲苯对工作记忆维持的影响，以及影响记忆的脑神经网络反应机理。

一．题目

低水平甲苯对工作记忆维持的影响具有其独立的神经网络基础，而非编码阶段脑网络改变的延续

The effect of low-level toluene on working memory maintenance has its own neural network basis rather than the continuation of brain network alterations during encoding

二．作者

Jiajing Wan（王佳静），Junjie Liu（刘俊杰），Liping Pan（潘丽萍），Yuncong Cao（曹云聪），Wenjuan Wu（吴文娟），Peiran Yu（余佩然），Yilin Guo（郭奕霖），Yijun Song（宋毅军）

三．研究亮点

· 暴露于70 ppb甲苯可显著改变工作记忆维持阶段的神经网络功能连接。

· 低浓度甲苯暴露增强了额叶内及额叶-后部脑区的功能连接。

· 甲苯暴露增加了抑制干扰的执行控制需求。

· 工作记忆维持阶段的神经网络机制独立于编码阶段的网络改变。

四．摘要

工作记忆（WM）由不同的神经网络机制支撑，分别涉及外部刺激的编码与非外部刺激信息的主动维持。本研究利用环境舱模拟满足空气质量（IAQ）要求的室内低浓度甲苯暴露环境，招募23名健康青年，暴露于0、17.5、35及70 ppb的甲苯4小时，随后进行视觉工作记忆任务，并在维持阶段采集脑电信号。通过因果网络分析与方向性传递函数（DTF）方法构建维持网络，结果发现，70 ppb甲苯并未影响行为表现，但显著增强了额叶（尤其是Fz通道）的功能连接及其向额中叶、前额极、顶叶及枕叶的流出强度。结果表明，低浓度甲苯暴露通过独立于编码阶段的网络机制影响工作记忆维持阶段的神经功能连接，体现出额前区在应对外界干扰和执行控制中的核心作用。 

五．主要结果

表 1.受试者的工作记忆表现

上表展示了四组不同甲苯浓度（控制组、Toluene_1、Toluene_2、Toluene_3）受试者在工作记忆任务中的反应时间（RT）和准确率（ACC）数据。尽管甲苯暴露浓度有不同的组别，RT（反应时间）和ACC（准确率）的结果在四个组之间均未显示出显著差异（P值分别为0.375和0.634）。这意味着，甲苯在这些低浓度（17.5 ppb到70 ppb）下并未直接影响任务的表现。尽管低浓度甲苯（17.5ppb至70 ppb）对工作记忆任务的反应时间和准确率未造成显著影响，甲苯暴露可能通过改变工作记忆的神经网络功能连接，尤其是额叶区域的连接来影响大脑的工作记忆维持过程。功能连接分析指出，随着甲苯浓度的增加，额前区（Fz通道）与其他脑区的功能连接强度显著增强，这种增强可能与对干扰的执行控制需求增加有关。因此，甲苯对工作记忆的影响更可能体现在神经网络层面，而非直接反映在行为表现上。

图1 19通道功能连接矩阵在工作记忆维持阶段的变化及不同甲苯浓度下的DTFg值比较

图1展示了四个组别（控制组、Toluene_1、Toluene_2、Toluene_3）在工作记忆维持阶段的19通道功能连接矩阵（FC矩阵），并且比较了不同甲苯浓度下的DTFg值。功能连接矩阵（A-D）显示了四个组别在工作记忆维持阶段的大脑通道之间的连接强度。随着甲苯浓度的增加（从控制组到Toluene_3组），连接强度逐渐增强，尤其是在Fz通道（通道17），该通道在所有组别中表现出最强的连接强度。DTFg值（E）的比较进一步揭示，Toluene_3组的DTFg值显著高于控制组，表明甲苯浓度的增加显著增强了大脑网络中不同区域之间的功能连接强度，尤其是在额叶区域。这种增强的功能连接可能与工作记忆的维持和对干扰的执行控制需求增加有关，尤其是在低浓度甲苯暴露下，额前区和后部脑区之间的连接显著增强。

该结果揭示了甲苯浓度对大脑工作记忆维持阶段的神经网络功能连接的显著影响。随着甲苯浓度的提高，尤其是在Toluene_3组（70 ppb）中，额前区的功能连接强度显著增强，这表明低浓度甲苯暴露可能通过增强执行控制区域的活动，影响大脑在维持工作记忆过程中的神经机制。

图2 不同甲苯浓度下工作记忆维持阶段脑区功能连接（FC）分布及DTF值比较

图2展示了四个组别（控制组、Toluene_1、Toluene_2、Toluene_3）在工作记忆维持阶段的脑区功能连接（FC）分布，并比较了不同甲苯浓度下各脑区之间的DTF值（功能连接强度）。图中具体结果如下：

1功能连接强度的空间分布（A）：

图A展示了不同甲苯浓度下，工作记忆维持阶段的功能连接强度分布图。颜色的深浅表示功能连接强度的变化，颜色越深表示连接强度越强。随着甲苯浓度的增加（从控制组到Toluene_3组），脑区之间的功能连接强度逐渐增强，尤其在额叶区域。

2不同脑区的功能连接强度（B-E）：

图B到E分别展示了控制组、Toluene_1、Toluene_2和Toluene_3组中，不同脑区（额叶、中央顶叶、枕叶、颞叶）的功能连接强度柱状图。结果表明，在额叶区域（Frontal region），甲苯浓度较高的Toluene_3组表现出显著较强的连接强度（P < 0.001）。此外，图中的数据表明，随着甲苯浓度的升高，额叶区域的功能连接显著增强，尤其是Toluene_3组的连接强度显著高于其他组（控制组和Toluene_1、Toluene_2组）。

3脑区间功能连接强度比较（F）：

图F展示了四组不同甲苯浓度下，不同脑区间功能连接强度的比较。额叶区域的功能连接强度在Toluene_3组中显著高于其他组，而其他脑区（如顶叶、枕叶、颞叶）之间的连接强度变化较小。

该部分内容揭示了低浓度甲苯暴露对大脑在工作记忆维持阶段的神经网络影响。随着甲苯浓度的增加，尤其是Toluene_3组（70 ppb），大脑额叶区域的功能连接显著增强，表明甲苯暴露可能增加大脑执行控制的需求，特别是在工作记忆的维持阶段。这一变化可能是由于额前区对干扰的抑制控制能力的增强，进一步影响了大脑不同区域之间的协调与信息流动。因此，甲苯对工作记忆维持过程的影响主要通过改变大脑的功能连接网络来实现，而不是直接影响行为表现如反应时间或准确率。

图3 不同甲苯浓度下工作记忆维持阶段脑区功能连接（FC）分布及DTF值比较

图3展示了四个甲苯浓度组（控制组、Toluene_1、Toluene_2、Toluene_3）在工作记忆维持阶段的脑区功能连接矩阵（FC矩阵），以及额叶功能连接强度（DTFout与DTFin）的比较。图中具体结果如下：

1功能连接矩阵（A-D）：

图A至D展示了四个组别（控制组、Toluene_1、Toluene_2和Toluene_3）在工作记忆维持阶段的功能连接矩阵。颜色深浅代表不同脑区间功能连接的强度。随着甲苯浓度的增加，从控制组到Toluene_3组，额叶区域（Frontal）的功能连接强度逐渐增强，尤其是在F通道（额叶区域）和其他脑区之间的连接。

2额叶功能连接强度比较（E）：

图E比较了四个组别中额叶区域的功能连接流出（DTFout）和流入（DTFin）值。结果显示，Toluene_3组的DTFout值显著高于其他组，表明随着甲苯浓度的增加，额叶区域对其他脑区的功能连接增强，这可能与增强的执行控制和对干扰的抑制有关。然而，DTFin值（从其他脑区流入额叶的功能连接强度）在四个组之间没有显著差异（P > 0.05）。

该部分内容揭示了低浓度甲苯暴露（特别是Toluene_3组）对工作记忆维持阶段的神经网络影响。随着甲苯浓度的升高，尤其是Toluene_3组，额叶区域的功能连接流出（DTFout）显著增强，表明甲苯可能通过增强额前区的执行控制能力来影响大脑的工作记忆维持过程。这种变化可能与甲苯对抑制干扰的执行控制需求增加相关，尤其在高浓度甲苯暴露下，额叶与其他脑区的协同作用更为显著。而DTFin值的无显著差异则表明，甲苯暴露主要影响额叶的输出信号，而对其他脑区输入的影响相对较小。

图4 不同甲苯浓度下工作记忆维持阶段脑区功能连接（FC）分布及DTF值比较

图4展示了四个甲苯浓度组（控制组、Toluene_1、Toluene_2、Toluene_3）在工作记忆维持阶段的核心功能连接（FC）变化，特别是Fz通道与其他脑区（如F3、FP2、O2、P4）的功能连接。图中的具体结果如下：

1核心功能连接图示（A）：

图A展示了每个组别（控制组、Toluene_1、Toluene_2、Toluene_3）的核心功能连接，颜色代表各通道之间的连接强度，箭头指示连接的方向。随着甲苯浓度的增加，Fz通道与其他脑区之间的功能连接增强，特别是与F3、FP2、O2、P4之间的连接。

2核心功能连接差异（B）：

图B中红色实线和点连接表示不同组别之间的核心功能连接差异。Toluene_3组（70 ppb甲苯）在Fz通道与F3、FP2、O2、P4之间的连接强度方面显著增强，表明甲苯浓度增加会加强额前区与其他脑区（如额叶、顶叶和枕叶）之间的神经连接。

3功能连接强度比较（C-F）：

图C到F进一步展示了Fz与F3、Fz与FP2、Fz与O2、Fz与P4之间的功能连接强度比较：

· Fz-F3连接：Toluene_3组的连接强度显著高于控制组和Toluene_1、Toluene_2组（P < 0.001）。

· Fz-FP2连接：Toluene_3组同样表现出显著更高的连接强度，尤其是与Toluene_1和Toluene_2组的对比。

· Fz-O2连接：随着甲苯浓度的升高，Fz-O2的连接也明显增强，Toluene_3组的连接强度明显高于控制组。

· Fz-P4连接：Toluene_3组的连接强度显著高于其他组，进一步证明甲苯暴露对额前区和后部脑区连接的增强作用。

该部分内容揭示了低浓度甲苯暴露（尤其是Toluene_3组，70 ppb）对工作记忆维持阶段核心功能连接的显著影响。随着甲苯浓度的增加，特别是在Toluene_3组，Fz通道与其他脑区（如F3、FP2、O2、P4）之间的连接强度显著增强。这一变化表明，甲苯暴露可能通过增强额前区的功能连接来支持对工作记忆的执行控制和干扰抑制。这些增强的功能连接反映了低浓度甲苯暴露对工作记忆维持过程中的神经活动的潜在影响，尤其是在高浓度甲苯暴露下，额前区与后部脑区之间的协同作用更加显著。

六．结论

系统研究了低浓度甲苯暴露对工作记忆维持的影响，利用脑电图（EEG）和功能连接分析（FC）探讨了甲苯在不同浓度下对神经网络的作用。研究结果表明，短期暴露于70 ppb的甲苯对工作记忆任务的反应时间和准确率未造成显著影响。然而，甲苯暴露显著改变了大脑在工作记忆维持阶段的功能连接，特别是额前区与其他脑区之间的功能连接强度。随着甲苯浓度的增加，尤其在Toluene_3组（70 ppb）中，额叶区域的功能连接显著增强，这表明甲苯可能通过改变神经网络的功能连接来影响工作记忆的维持过程，而不是通过直接影响行为表现。

本研究进一步揭示了低浓度ppb级别甲苯暴露对工作记忆神经网络的潜在危害，尤其是在较高ppb浓度甲苯暴露下，额前区的功能连接变得更加显著，与执行控制需求和对干扰的抑制控制的增强相关。未来研究应深入探讨低浓度ppb级别室内污染物对认知功能的长期影响，并考虑如何通过改善室内空气质量和减少有害物质的暴露来提高公共健康。

本文为理解甲苯等低浓度VOCs室内污染物对大脑神经功能的影响提供了新的视角，并为制定更加科学的室内空气质量标准和认知健康保护措施提供了基础。

致谢：本研究得到了“CAMS医学科学创新基金”（CIFMS）（2023-I2M-2-007）；天津市医学科技委项目（TJWJ2021MS001）以及国家自然科学基金（82301353）的资助支持。

本文引用格式：Wang J, Liu J, Pan L, et al. The effect of low-level toluene on working memory maintenance has its own neural network basis rather than the continuation of brain network alterations during encoding[J]. Science of The Total Environment, 2025, 998: 180223.

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稿件编辑：王佳静

稿件审核：刘俊杰、田媛